[導(dǎo)讀] 智能儀表是智能電網(wǎng)構(gòu)筑過程中不可或缺的一部分。原先的電能表一般采用機(jī)械式結(jié)構(gòu)，而智能儀表采用的是電子式結(jié)構(gòu)，因此對(duì)半導(dǎo)體的性能要求及對(duì)它作為一個(gè)新興市場(chǎng)的期待都頗高。此外，可延長電池驅(qū)動(dòng)時(shí)間的低功耗工作、信息及付費(fèi)等通信安全也將成為重要因素。因此下面我們就將以智能儀表的發(fā)展趨勢(shì)及存在的課題進(jìn)行說明，并就此介紹瑞薩電子在智能儀表方面的解決方案。 關(guān)鍵詞：HAN系統(tǒng)智能電表智能電網(wǎng)

智能儀表是智能電網(wǎng)構(gòu)筑過程中不可或缺的一部分。原先的電能表一般采用機(jī)械式結(jié)構(gòu)，而智能儀表采用的是電子式結(jié)構(gòu)，因此對(duì)半導(dǎo)體的性能要求及對(duì)它作為一個(gè)新興市場(chǎng)的期待都頗高。此外，可延長電池驅(qū)動(dòng)時(shí)間的低功耗工作、信息及付費(fèi)等通信安全也將成為重要因素。因此下面我們就將以智能儀表的發(fā)展趨勢(shì)及存在的課題進(jìn)行說明，并就此介紹瑞薩電子在智能儀表方面的解決方案。

根據(jù)地區(qū)與公共事業(yè)單位的不同而構(gòu)建不同測(cè)量單元

全面普及對(duì)電、水、氣等使用情況進(jìn)行記錄，并帶有通信功能的智能儀表，是構(gòu)筑智能電網(wǎng)的首要前提。過去，電表的作用只是為了通過遠(yuǎn)程抄表來提高用電量統(tǒng)計(jì)工作的效率，以及防止盜電行為。但是隨著用電量可視化帶來的省電節(jié)能備受關(guān)注外，為了通過智能電網(wǎng)構(gòu)筑分散型電源而擔(dān)任基礎(chǔ)作用，及把握電力需求的詳細(xì)信息來防止停電等多種需求在全球不斷擴(kuò)大。尤其由于過去各類電能表均采用機(jī)械式構(gòu)造，而智能儀表則采用了電子式構(gòu)造，因此人們對(duì)智能儀表中的半導(dǎo)體性能及智能儀表帶來的新市場(chǎng)越發(fā)期待。

智能儀表由測(cè)算單元、通信單元及開關(guān)單元3部分構(gòu)成。（圖1）測(cè)算單元的主要是對(duì)用電量以及相關(guān)費(fèi)用的統(tǒng)計(jì)。通信單元?jiǎng)t用于與公共事業(yè)單位的通信。開關(guān)單元，顧名思義即為控制電或氣等的供給。以智能電表為例，它由測(cè)算電流/電壓的測(cè)量部分、及以它為基礎(chǔ)進(jìn)行電力、費(fèi)用計(jì)算的MCU部分、顯示部分、保存費(fèi)用信息的EEPROM、使通信單元的連接處于絕緣狀態(tài)的光耦合器等構(gòu)成。然而，由于地區(qū)及公共事業(yè)單位的不同，對(duì)智能儀表的開發(fā)思路也大不相同。這導(dǎo)致了智能儀表的內(nèi)部構(gòu)成分為了3 種類型，而智能儀表的主要構(gòu)成部分MCU也在操作和性能上有很大的區(qū)別。

圖1：面向智能電表的測(cè)量單元系統(tǒng)框圖和構(gòu)成例

第一種是通過MCU的軟件只對(duì)費(fèi)用進(jìn)行計(jì)算處理。這種電表由于其只需基本的計(jì)算功能，因此一般只需采用8位MCU即可。同時(shí)，由于這種電表幾乎全部利用硬件進(jìn)行處理，因此也可實(shí)現(xiàn)低功耗。此外，此類電表存儲(chǔ)器尺寸小、成本低、無需開發(fā)電力測(cè)量相關(guān)功能，因而可縮短開發(fā)周期。尤其對(duì)于偏向短開發(fā)周期的中國市場(chǎng)而言具有很大優(yōu)勢(shì)。

第二種是電力運(yùn)算也要通過軟件來進(jìn)行。這種電表需要高速的16位MCU。與第一種相比，靈活性更高。對(duì)于擁有豐富軟件開發(fā)人材的印度市場(chǎng)來說非常合適。

第三種則要用MCU的A/D板進(jìn)行感應(yīng)，通過軟件進(jìn)行濾波處理、電力運(yùn)算、費(fèi)用處理等。為了實(shí)現(xiàn)更高的靈活性，通過更改軟件可支持普通家庭用單相電源和面向工業(yè)的三相電源。只是，由于被要求具備更高運(yùn)算能力，所以需要32位且具備DSP功能的MCU。因此在重視開發(fā)效率與附加服務(wù)的美國與歐洲市場(chǎng)需求很高。

由于測(cè)量單元的多樣化構(gòu)成，與之對(duì)應(yīng)的MCU產(chǎn)品也大相徑庭。而瑞薩電子卻擁有可對(duì)應(yīng)上述各種類型電表的MCU產(chǎn)品線。例如，針對(duì)第一類電表，瑞薩電子擁有 R8C及具備單相電力運(yùn)算單元的78K0等產(chǎn)品。針對(duì)第二和第三類，擁有78K0R、V850、H8S以及即將推廣的RX200等產(chǎn)品。（圖2）瑞薩電子可提供以主要組成部分的MCU為中心，包括測(cè)算電流/電壓的測(cè)量部分、顯示部分、可保存費(fèi)用信息的EEPROM、以及擁有許多其他功能的IC、功率器件等在內(nèi)的智能儀表解決方案。

圖2：面向儀表的MCU發(fā)展藍(lán)圖

以標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品和ASIC來支持多種通信單元

根據(jù)通信地點(diǎn)，通信單元一般有2個(gè)系統(tǒng)。一個(gè)系統(tǒng)是用于將費(fèi)用信息傳輸給公共事業(yè)單位的Neighborhood Area Network（NAN）；另一個(gè)則是智能儀表在用戶家中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)時(shí)所需的Home Aria Network（HAN）。

首先，根據(jù)使用地區(qū)的不同，NAN系統(tǒng)擁有電力線通信和無線通信2種方式。在美國主要以900MHz頻帶的網(wǎng)格通信為主，而在中國和歐洲則是以電力線通信為主。日本國內(nèi)目前主要以無線通信為主流，但也在考慮是否采用特定小功率、950MHz、PHS等。

另一方面，HAN系統(tǒng)則有可能采用WiFi、ZigBee、6LoWPAN、Z-Wave等無線方式或電力線通信、EtherNet等有線方式。

因此，上述通信單元所需要的半導(dǎo)體也因?yàn)楣彩聵I(yè)單位及地區(qū)的差異有所不同。為了對(duì)應(yīng)這種情況，瑞薩電子目前正在開發(fā)面向標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品的輔助千兆赫茲頻帶無線 IP內(nèi)核和多調(diào)制IP內(nèi)核。更有ASIC可供選擇。瑞薩電子可在短時(shí)間內(nèi)根據(jù)客戶所需的通信方式定制完全符合需求的產(chǎn)品。而就ASIC而言，由于其所采用的先進(jìn)工藝，也可完全實(shí)現(xiàn)低功耗需求。

硬件加密引擎與防篡改功能使安全性能得到提升實(shí)現(xiàn)安心、安全

然而，在儀表具備了通信功能后，也出現(xiàn)了弊端。其中最令人擔(dān)憂的問題就是遭受黑客攻擊。通信遭到攻擊后電網(wǎng)的命脈停止的話可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重災(zāi)害。而解決這個(gè)問題的關(guān)鍵在于進(jìn)行通信加密。這其中則涉及到2個(gè)要素，路由器等產(chǎn)品對(duì)“防通信攻擊的高度加密技術(shù)”，以及為了防止儀表內(nèi)部被攻擊而進(jìn)行MCU內(nèi)部信息加密的“防篡改功能”。而瑞薩電子同時(shí)擁有實(shí)現(xiàn)安全傳輸所需的高度硬件加密引擎和高度防篡改功能2種技術(shù)。這對(duì)一個(gè)半導(dǎo)體廠商來說具有超強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。正因?yàn)橛辛诉@些技術(shù)，瑞薩電子即將推出客戶所要求的搭載安全性能的NAN系統(tǒng)。[!--empirenews.page--]

此外，由于擁有EEPROM、光耦合器等外圍器件，瑞薩電子幾乎可以提供智能儀表所需的所有主要半導(dǎo)體產(chǎn)品。今后，瑞薩電子也將繼續(xù)為不斷為需求擴(kuò)大的智能儀表提供更多解決方案。